無電池操作的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

早期檢測(cè)電機(jī)故障對(duì)于最大限度地減少停機(jī)時(shí)間和確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。使用熱電發(fā)電機(jī)（TEG），專用電源管理IC，無線MCU以及少量附加組件，工程師可以構(gòu)建一個(gè)無線傳感器系統(tǒng)，通過從電機(jī)本身的熱量中提取能量，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的無電池操作。

電機(jī)運(yùn)行特性的顯著變化可能表明電機(jī)即將發(fā)生或可能發(fā)生故障。特別是，溫度測(cè)量提供了特別有效的電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)，因?yàn)樵S多電氣和機(jī)械問題直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫度升高。例如，高溫通常是軸承故障的第一個(gè)跡象。實(shí)際上，溫度升高可能是由于環(huán)境溫度高，電壓不平衡，負(fù)載過大，污染或進(jìn)氣口受阻等多種情況造成的 - 任何一種情況都會(huì)侵蝕電機(jī)性能并縮短其使用壽命。實(shí)際上，經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)工作溫度超過其額定溫度時(shí)，每10°C電機(jī)壽命減少50％。

使用一對(duì)現(xiàn)成的IC，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建復(fù)雜的無線傳感器系統(tǒng)能夠在從電機(jī)本身的熱量中獲取電力的同時(shí)執(zhí)行各種測(cè)量。作為此設(shè)計(jì)的核心，專門的能量收集電源管理IC（PMIC）和無線MCU提供了提取熱功率和執(zhí)行傳感器測(cè)量所需的基本功能（圖1）。雖然PMIC優(yōu)化了TEG的能量轉(zhuǎn)換并管理可選的存儲(chǔ)設(shè)備，但MCU使用其集成的模擬外設(shè)來收集傳感器數(shù)據(jù)及其集成的RF收發(fā)器，以便與主機(jī)控制器或其他設(shè)備進(jìn)行無線通信。

圖1：在環(huán)境能源中，熱能可以提供大量電力，特別是在電機(jī)監(jiān)控應(yīng)用中;能量采集IC和無線MCU的組合在很大程度上完成了由該熱源供電的無線傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并使用MCU的集成模擬外設(shè)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。 （德州儀器公司提供）

電源要求

能量收集方法使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建能夠運(yùn)行多年而無需更換電池甚至根本不需要電池的系統(tǒng)。能量收集應(yīng)用的首要考慮因素是能源不僅能滿足平均功率要求，而且能夠處理周期性的峰值功率負(fù)荷。對(duì)于無線應(yīng)用，無線通信的本質(zhì)強(qiáng)調(diào)了這些問題。

當(dāng)系統(tǒng)首次偵聽其他設(shè)備然后傳輸其數(shù)據(jù)時(shí)，典型的無線事務(wù)包括接收和發(fā)送階段。對(duì)于傳感器系統(tǒng)，這些通信事務(wù)可能僅持續(xù)幾毫秒但相隔幾秒（或幾分鐘）。結(jié)果，系統(tǒng)通常將其大部分時(shí)間用于低功率空閑或睡眠狀態(tài)。因此，無線傳感器系統(tǒng)的功耗曲線的特征通常在于，當(dāng)系統(tǒng)從其睡眠狀態(tài)喚醒，執(zhí)行其無線電事務(wù)以及在返回其之前執(zhí)行相關(guān)的后處理例程時(shí)，由突發(fā)的活動(dòng)周期性地中斷延長(zhǎng)的靜止時(shí)段。低功耗睡眠狀態(tài)（圖2）。

圖2：無線電接收和傳輸表示大多數(shù)小型無線系統(tǒng)中的峰值電流需求，這些系統(tǒng)使用流行的通信協(xié)議，如藍(lán)牙低功耗，如此處所示。 （德州儀器公司提供）

對(duì)于圖2所示的藍(lán)牙低功耗（BLE）通信事件，德州儀器工程師發(fā)現(xiàn) [1] CC2541收發(fā)器IC具有峰值電流接收和傳輸?shù)碾娖骄鶠?7.5 mA。在這種情況下，工程師測(cè)量了完整通信事件的平均電流消耗為8.3 mA，持續(xù)時(shí)間約為3毫秒。實(shí)際上，使用TI CC2650等更新型收發(fā)器的設(shè)計(jì)中的電流要求甚至更低。

CC2650內(nèi)置支持各種無線協(xié)議，包括一個(gè)片上2.4 GHz RF收發(fā)器，能夠支持BLE或IEEE 802.15.4無線通信。除了ARM ® Cortex ® -M3主機(jī)處理器外，CC2650還集成了一個(gè)專用于執(zhí)行的超低功耗ARM Cortex-M0內(nèi)核無線堆棧包括Bluetooth Smart ®，ZigBee ®和6LoWPAN。結(jié)果是一種能夠提供重要處理和通信功能，同時(shí)保持能量采集設(shè)計(jì)所需的極低功耗水平的設(shè)備。

與早期的CC2541相比，CC2650僅消耗5.9 mA有源接收模式和有效傳輸中的6.1 mA（0 dBm）。此外，CC2650的有效狀態(tài)功耗僅為2.8 mA左右，而CC2541的功耗僅為8.3 mA。因此，采用最新器件（如CC2650）的設(shè)計(jì)中的電流消耗約為6.1 mA峰值電流和明顯較低的平均電流 - 約為早期CC2541所需電流的三分之一。

同樣時(shí)間，CC2650具有低功耗空閑模式，僅消耗500μA電流，同時(shí)保持系統(tǒng)電源和RAM的供電。實(shí)際上，CC2650具有低功耗待機(jī)狀態(tài)，運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘僅占用1μA，并保留RAM和CPU狀態(tài)。在500μA空閑模式下，器件僅在14μs內(nèi)轉(zhuǎn)換為有源模式，但從1μA待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到有源模式需要151μs。雖然許多傳感器應(yīng)用可以放心地交換更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間以降低功耗，但設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)評(píng)估睡眠功率要求和響應(yīng)時(shí)間之間的權(quán)衡。

除了這些基本性能要求外，傳感器 - 數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理當(dāng)然會(huì)增加額外的功率要求。因此，特定的無線傳感器應(yīng)用會(huì)對(duì)諸如處理負(fù)載和睡眠持續(xù)時(shí)間等因素征收其自身的獨(dú)特要求。然而，這一快速分析表明，集成無線MCU（如CC2650甚至CC2541）將在能量收集設(shè)計(jì)的能力范圍內(nèi)提供良好的功率要求 - 特別是在設(shè)計(jì)用于從工業(yè)電機(jī)中收集能量的應(yīng)用中。

電力供應(yīng)

規(guī)定工業(yè)電機(jī)允許相對(duì)較高的工作溫度升高。美國國家電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）A級(jí)的電機(jī)允許的溫升為60°C，NEMA F級(jí)電機(jī)在額定功率（即服務(wù)系數(shù)1.0）下運(yùn)行時(shí)可以增加125°C。利用這種豐富的熱能，利用TEG進(jìn)行能量收集是發(fā)電的理想解決方案。

TEG產(chǎn)生的功率與兩個(gè)面之間的溫差成正比。因此，設(shè)計(jì)人員需要采取措施確保TEG“冷”側(cè)的溫度保持顯著低于TEG的電機(jī)（熱）側(cè)。對(duì)于這種應(yīng)用，在大多數(shù)情況下，使用傳統(tǒng)的翅片散熱器進(jìn)行對(duì)流冷卻可確保TEG上的溫度差合理。

在環(huán)境溫度較高的環(huán)境中，簡(jiǎn)單的對(duì)流冷卻可能只會(huì)產(chǎn)生最低溫度差分 - 同時(shí)降低功率輸出。為了確保即使在低能級(jí)下也能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，設(shè)計(jì)人員需要將TEG保持在TEG功率曲線上的最大功率點(diǎn)。此外，盡管存在低水平的持續(xù)能量轉(zhuǎn)換，但可能需要使用合適的能量存儲(chǔ)設(shè)備來確保能夠在無線通信交易期間滿足峰值需求的穩(wěn)定電源。

專用PMIC，例如TI BQ25570滿足這些多項(xiàng)要求：除了最大化TEG的功率輸出外，BQ25570還可以管理儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電周期，并為無線MCU提供穩(wěn)壓電源。 BQ25570專為能量收集而設(shè)計(jì)，能夠從微瓦能源中清除能量。其集成的充電管理功能使其可以使用有限的收集功率來安全地為可充電電池和超級(jí)電容器充電，同時(shí)保護(hù)能量存儲(chǔ)設(shè)備免受過壓和欠壓水平的影響。最后，集成電壓轉(zhuǎn)換器為MCU和其他具有嚴(yán)格電源要求的器件提供穩(wěn)壓電源輸出。憑借其廣泛的集成功能，BQ25570只需要一些額外的組件即可提供復(fù)雜的熱電源（圖3）。

圖3：高度集成的電源管理IC（如BQ25570）僅需要少量額外組件即可將熱能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出電平，同時(shí)還可管理外部?jī)?chǔ)能設(shè)備。 （德州儀器公司提供）

簡(jiǎn)化無電池?zé)o線傳感器系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)選擇在于選擇合適的儲(chǔ)能設(shè)備。如前所述，一些電機(jī)監(jiān)控方案可以持續(xù)產(chǎn)生足夠的能量以滿足峰值功率要求。對(duì)于其他應(yīng)用 - 甚至作為能量豐富環(huán)境的備用電源 - 超級(jí)電容器為擴(kuò)展操作的無線傳感器系統(tǒng)提供了一種特別有吸引力的解決方案。

超級(jí)電容器可以通過更多的充電/放電來保持容量周期比可比容量的可充電電池 - 在許多情況下，大一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，超級(jí)電容器具有非常低的漏電流：例如，Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0 470 mF超級(jí)電容器漏電流在96小時(shí)內(nèi)小于5μA。因此，這些設(shè)備非常適合能量約束應(yīng)用，如能量收集。同時(shí)，這些器件提供非常靈活的放電速率 - 例如，DMF3Z5R5H474M3DTA0提供400μAh至1.5 As的放電速率。此外，這些器件的高存儲(chǔ)容量使它們能夠在超出典型無線事務(wù)事件持續(xù)時(shí)間的情況下維持輸出電壓，即使在非常高功率的情況下也是如此（圖4）。

圖4：在無線收發(fā)器所需的低功率水平下，超級(jí)電容器可以維持電壓輸出電平，持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過典型無線事務(wù)的持續(xù)時(shí)間。